千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性研究及工程應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)許多關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大巖土工程向規(guī)模大，埋深更大方向發(fā)展，由此帶來(lái)的高地應(yīng)力和軟弱圍巖等復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致工程在施工甚至運(yùn)營(yíng)期間地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害程度十分嚴(yán)重，給隧道工程修建技術(shù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文以在建成（成都）蘭（蘭州）鐵路千枚巖隧道不同巖性千枚巖為研究對(duì)象，利用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和綜合分析等方法，對(duì)千枚巖基本物理力學(xué)特性及工程應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對(duì)大變形段落圍巖礦物成分、巖石損傷斷裂特征與宏觀(guān)變形量、應(yīng)力場(chǎng)的

2、相關(guān)性等，從千枚巖物質(zhì)結(jié)構(gòu)、損傷斷裂演化過(guò)程等視角對(duì)圍巖大變形破壞機(jī)理進(jìn)行深入研究。主要有如下研究成果:
　　(1)成蘭鐵路茂縣段隧道群圍巖附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向均在N20°～75°W之間，即NW向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向一致。工程區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征明顯，第一側(cè)壓系數(shù)0.9～2.5之間，最大值在楊家坪隧道;第二側(cè)壓系數(shù)為0.7～1.4之間。其中，除躍龍門(mén)隧道外，其他三座隧道應(yīng)力特征以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。水平構(gòu)造應(yīng)力值變化范圍較大

3、，一般隨深度增加而增大，隧道的水平構(gòu)造應(yīng)力均較大，洞身附近基本為12～16MPa，最大的為楊家坪隧道，達(dá)21.86MPa。
　　(2)成蘭鐵路千枚巖的主要礦物成分為:絹云母、石英、綠泥石、長(zhǎng)石及鐵的氧化物。千枚巖主要礦物含量隨線(xiàn)路走向呈不同的變化趨勢(shì)，黏土質(zhì)中不含巨膨脹性蒙脫石，物化膨脹不是成蘭鐵路高應(yīng)力千枚巖隧道圍巖大變形的主要原因。千枚巖遇水軟化嚴(yán)重，并在失水后再浸水則表現(xiàn)出激烈崩解、軟化現(xiàn)象。這是隧道開(kāi)挖后千枚巖圍巖變形破壞

4、的重要原因之一。
　　(3)成蘭鐵路千枚巖在軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度50％以前就普遍出現(xiàn)很大的變形和局部破壞，部分千枚巖在干燥、低圍壓狀態(tài)下表現(xiàn)出嚴(yán)重的早期擴(kuò)容現(xiàn)象;拐傷擴(kuò)容是千枚巖變形破壞的典型特征，對(duì)變形產(chǎn)生不同的影響;加載方位角和巖石礦物成分等嚴(yán)重影響千枚巖單軸壓縮變形特性，隨著加載方位角增大，千枚巖軸向變形增加，橫向變形則減小，試樣破壞時(shí)，橫向變形值已遠(yuǎn)大于縱向變形，破壞模式由脆性逐漸向延塑性過(guò)渡。
　　(4)千枚巖各向

5、異性隨含水率與圍壓水平表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，強(qiáng)度各向異性隨含水率和圍壓水平提高而降低，彈性模量和泊松比則與加載方向和轉(zhuǎn)化圍壓有關(guān)。三軸卸荷試驗(yàn)中，千枚巖強(qiáng)度峰值時(shí)橫向應(yīng)變接近或略小于縱向，說(shuō)明卸荷更利于橫向變形發(fā)展，卸荷試樣的破壞是沿卸荷方向的強(qiáng)烈擴(kuò)容所致。與三軸壓縮試驗(yàn)相比，卸荷試驗(yàn)更容易變形破壞，宏觀(guān)破壞多為單一且張裂明顯的縱向張拉或剪切破壞面，破壞程度更為強(qiáng)烈;千枚巖卸荷峰值強(qiáng)度表現(xiàn)出不同程度的各向異性特征，相同卸荷條件下，強(qiáng)度隨

6、方位角增大一般呈“U”形變化，45°方位角時(shí)最低。千枚巖劈裂拉伸強(qiáng)度普遍偏低，也具有方向上的一致性。在工程擾動(dòng)和地下水等的影響下，千枚巖抗拉強(qiáng)度下降迅速。
　　(5)通過(guò)掌子面圍巖礦物成分與圍巖變形量的統(tǒng)計(jì)分析，成蘭鐵路綠泥石千枚巖中伊利石含量超過(guò)約40％時(shí)，含量變化對(duì)圍巖變形影響作用突然增大;絹云母千枚巖也具有類(lèi)似規(guī)律。
　　(6)不同應(yīng)力路徑和加載方向下千枚巖試樣斷裂斷口發(fā)現(xiàn)，千枚巖微觀(guān)破壞機(jī)制實(shí)質(zhì)分為兩大類(lèi):張拉和剪切